トレイ蒸留効率に還流比の影響

トレイ蒸留は、さまざまな工業環境で化合物混合物を分離するために使用される重要な化学工学技術です。化学プラント、石油精製所、天然ガス処理など。蒸留は、トレイと呼ばれる多くの異なるレベルのカラムで行われます。液体供給流はカラム内を移動し、熱にさらされた後、凝縮または気化するため、揮発性の違いに基づいて混合物を分離できます。コスト生産性の高い蒸留装置を設計するために、システム内のトレイの分離効率が研究されています。ここでは、メタノール、イソプロパノール、および水の混合物を分離するために使用されるふるいトレイカラムの分離効率を調査します。

蒸留塔では、液体供給物が導入され、上昇する蒸気流に接触しながら下向きに流れます。液体が底に達すると、再ボイラーに入り、気化してカラムに再入るか、液体のままでシステムから出ます。この既存のストリームはボトムと呼ばれ、より重いコンポーネントが含まれています。ボイルアップ率VBは、カラムにリサイクルされた液体と、底部に残る液体の量の比率です。蒸気流はカラムを通って上向きに流れ、還流ドラムに入る前に凝縮されます。その後、2 つのストリームに分割されます。システムから出る揮発性の高い成分を含む留出液と、カラムに循環する還流。留出物に対する還流率の比率である還流率は、分離効率に影響を与える可能性があります。全逆流モードでは、ストリームの100%がカラムにリサイクルされます。ただし、実際の蒸留は、経済的な分離を達成するために部分還流モードで操作されます。次に、McCabe-Thiele 分析を見て、2 つのコンポーネントの VLE データを使用して分離に必要なステージ数を決定します。留出物の組成から始めて、RDに1を加えたRDに等しい傾きで操作線を引きます。ボトムコンポジションから始めて、VBにVBを1足した傾きに等しい操作線を描きます。BLE曲線と操作線の間のプロットを下に移動して、下部に達するまで下に移動します。リボイラーのステップ分1の数は、必要なトレイの数と同じです。効率を評価するために、マーフリー法が使用されます。単一のトレイであるEMLのマーフリー効率は、トレイ上の液体組成の変化を、流出する液体組成からの変化で割ったもので、流出する蒸気と平衡状態にあると仮定します。トレイの効率の低さは、多くの場合、界面面積の狭さや表面速度の低さに関連しているため、エンジニアはカラムの問題を特定し、設計を改善できます。蒸留塔がどのように機能し、還流率が分離にどのように影響するかについて説明したので、実験室での実験でその効果をテストして実証してみましょう。

始める前に、トレイ蒸留ユニットについてよく理解しておいてください。このユニットは、6つのふるいトレイを含むカラムで構成されています。飼料リザーバーには、メタノール50重量パーセント、イソプロパノール30重量パーセント、および水20重量パーセントの混合物が含まれています。これは、ポンプを介してフィード予熱器に向けられ、次にカラムに導かれます。カラムからの留出物は、サンプルを収集するためのバルブを備えた全凝縮器に収集されます。還流ドラム、還流ポンプ、予熱器を使用して連続的な還流を行い、その比率を調整して効率を向上させます。最後に、リボイラーとボトムポンプは混合物の加熱を提供し、ボトムバルブは分析用のサンプルを取得するために使用されます。貿易蒸留ユニットの大部分は、グラフィカルインターフェースを使用して操作されます。全逆流モードの実験を開始するには、冷却水をオンにし、リボイラー液のレベルを確認します。供給液を追加するか、下部ポンプを使用して一部の液体を除去して、レベルを調整します。メインリボイラーヒーターとストリップヒーターの電源を入れます。次に、コントロールを使用して、リボイラー温度コントローラーを手動に設定し、出力を少なくとも60%に調整します。そして、頭上の蒸気が凝縮し、還流ドラムが満たされるのを待ちます。還流ドラムが50%のレベルに達したら、逆流フローコントローラーI autoを20%の設定値に設定し、還流ポンプをオンにします。コントローラーで還流流量を測定したらすぐに、逆流流量がスパンの12〜13%になるまで、20〜30秒ごとに設定値を徐々に減らします。リボイラーヒーターが作動すると、システムは還流予熱器も始動しました。次に、コントローラーを自動に設定し、還流予熱器に約65°Cの設定値を与えます。還流ドラムのレベルが約50%であることを確認し、必要に応じて、還流フローコントローラーの設定値を変更してレートを手動で調整し、25〜75%の一定の還流ドラムレベルを提供します。すべての流れ、レベル、温度、および組成が設定値に近く、約2分間大きく変化しない場合、全逆流モードの定常状態が達成されたと言えます。

システムが定常状態に達したので、有限還流モードに移行しましょう。フィードフローコントローラーを自動に設定し、設定値を毎分約120立方センチメートルに設定します。次に、フィードポンプとフィード予熱器をオンにし、コントローラーを自動にセットし、摂氏約65度の設定値を設定します。フィード設定が完了したら、還流流量コントローラーを自動にし、還流フローの開始点を約80%の設定値に設定します。留出物製品の引き出しを開始して、還流ドラムレベルを25〜75%に維持します。留出物フローコントローラーを自動にし、セットポイントをゼロフローより上に調整します。リボイラーで60〜80%の一定レベルを維持するために、ボトム製品の引き出しを開始します。ボトムフローコントローラーを自動にし、ボトムポンプをオンにして、設定値をゼロを超える流量に調整します。沸騰率を一定に保ちながら、約3つの異なる還流比で有限還流動作を繰り返します。これは、有限還流モードでさまざまな定常状態に調整するために実行されます。すべての流れ、レベル、温度、および組成が設定値に近く、大きく変化していない場合、定常状態に達します。安定した状態に達したら、サンプルバルブを開き、サンプルボトルを使用して、底部の3〜4ミリリットルのサンプルを1セット収集し、それぞれのサンプルポイントで製品を蒸留します。ピペットを使用して、フィードタンクの上部に挿入してフィードサンプルを収集します。次に、湾曲したニードルシリンジを使用して、各トレイのセプタムポートに挿入し、トレイサンプルを採取します。実験終了後、サンプルを固定し、ガスクロマトグラフで分析します。

実験が終了したので、次は結果の分析に焦点を当てましょう。このシステムの McCabe-Thiele 解析では、分離には 4.5 ステージが必要であることが示されています。システムは6つのステージとリボイラーを利用していますが。次に、GCデータを使用してサンプルの質量分率を取得します。マーフリートレイ効率方程式を適用し、各トレイの効率を計算します。トレイ2は、対応するトレイよりも大幅に効率的であり、目視観察では、非常に泡立っていることが示されました。界面領域が非常に高いです。トレイ1はさらに泡立っていましたが、いくらかの巻き込みが観察できました。この挙動は、アルコール混合物の表面張力が低い結果です。上の2つのトレイでは、ほとんどすべての水が取り除かれており、ほとんどがメタノールとイソプロパノールの一部が残っていました。トレイ3はメタノール効率が悪かったが、これは別の化合物(この場合は水)がトレイ上で大幅な濃度変化を起こすときに観察される。次に、各還流率の計算を繰り返して、留出物と底の組成への影響を判断します。一般に、還流率が低いと、留出物のメタノール純度が低下します。還流率が高いほど、高い運用コストで分離が向上します。

最後に、化学業界における貿易蒸留とトレイ効率の測定のいくつかのアプリケーションを見てみましょう。製油所では、原油を複数の製品に分別しています。供給流は大気圧で加熱された原油です。船舶用燃料油、軽油、灯油、ナフサ、ガソリンなどの燃料は、沸点とチェーンの長さに基づいて分離されます。化学エンジニアは、トレイの効率を利用して、目的の製品の分離プロセスを最適化します。ウォッカやウイスキーなどの蒸留酒を生成するには、ウォッシュと呼ばれる穀物発酵製品の混合物(アルコール度数が10〜12%)を蒸留器で煮沸し、得られた蒸気を単純蒸留または商業蒸留によって分離します。これにより、エタノールをプロパノールや水などの他のアルコールから分離することができ、これらは沸点が高いです。

Joveの蒸留の紹介を見ました。これで、蒸留プロセス、トレイ蒸留ユニットの操作方法、およびその効率の評価方法を理解できるはずです。また、産業環境での蒸留のいくつかのアプリケーションも見てきました。ご覧いただきありがとうございます。